1、 HYPERLINK / 伺服系統：汽輪機葉片高曲率半徑數控加工伺服速度操縱五軸聯動、數控銑床、伺服系統、速度操縱、直流脈寬調速交流變頻調速硬件結構，變頻調速原理，操縱 刀具工件、旋轉還直線 五軸聯動數控銑床伺服系統（以AV1200/2五坐標立式數控銑床進行講明）伺服系統是指以機械位置或角度作為操縱對象的自動操縱系統。它同意來自數控裝置的進給指令信號，經變換、調節和放大后驅動執行件，轉化為直線或旋轉運動。伺服系統是數控裝置(計算機)和機床的聯系環節，是數控機床的重要組成部分。數控伺服系統的差不多組成數控系統按照調節理論來分，能夠分為開環、閉環和半閉環三種數控系統，分不如下圖所示：開環數控系統沒

2、有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置進給系統），故系統穩定性好。無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度要緊取決于伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。這類系統具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。半閉環數控系統半閉環數控系統的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的操縱性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好

3、。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得中意的精度。半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。閉環數控系統閉環數控系統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。從理論上講，能夠消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有專門高的位置操縱精度。 由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙差不多上非線性的，故專門容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。該系統要緊用于精度要求專門高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數

4、控機床等。AV1200/2五坐標立式數控銑床正是采納的這種數控系統。伺服系統按用途和功能分為進給驅動系統和主軸驅動系統。按有無反饋檢測元件分為開環操縱系統和閉環操縱系統。按執行元件的不同，分為步進伺服系統、直流伺服系統和交流伺服系統。伺服電動機為數控伺服系統的重要組成部分，是速度和軌跡操縱的執行元件。 步進伺服系統進伺服系統同意脈沖信號，它的轉速和轉過的角度取決于指令脈沖的頻率或個數。由于沒有檢測和反饋環節，步進電機的精度取決于步距角的精度，齒輪傳動間隙等，因此它的精度較低。而且步進電機在低頻時易出現振動現象，它的輸出力矩隨轉速升高而下降。又由于步進伺服系統為開環操縱，步進電機在啟動頻率過高或

5、負載過大時易出現“丟步”或“堵轉”現象，停止時轉速過高容易出現過沖的現象。另外步進電機從靜止加速到工作轉速需要的時刻也較長，速度響應較慢。然而由于其結構簡單，易于調整，工作可靠，價格較低的特點，在許多要求不高的場合依舊能夠應用的。直流伺服系統直流伺服電機具有良好的寬調速性能。輸出轉矩大，過載能力強，伺服系統也由開環操縱進展為閉環操縱，因而在工業及相關領域獲得了更加廣泛的運用。然而，隨著現代工業的快速進展，其相應設備如周密數控機床、工業機器人等對電伺服系統提出越來越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而傳統直流電動機采納的是機械式換向器，在應用過程中面臨專門多問題，如電刷和換向器易磨損，維護工作

6、量大，成本高;換向器換向時會產生火花，使電機的最高轉速及應用環境受到限制;直流電機結構復雜、成本高、對其他設備易產生干擾。 交流伺服系統交流伺服系統除了具有穩定性好、快速性好、精度高的特點外，與直流伺服電機系統相比有一系列優點:交流電機不存在換向器圓周調速限制，也不存在電樞元件中電抗電勢數值限制，其轉速限制能夠設計得比相同功率的直流電機高。調速范圍寬，目前大多數的交流伺服電機的變速比能夠達到1:5000，高性能的伺服電機的變速比已達1:10000以上。滿足數控機床傳動調速范圍寬、靜差率小的要求。矩頻特性好，交流電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速以內輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。同時具

7、有轉矩過載能力，可克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。滿足機床伺服系統輸出轉矩大、動態相應好、定位精度高的要求。依照AV1200/2五坐標立式數控銑床是依照機床向高速、高精進展的需要和汲取世界先進設計理念而開發設計的一種新結構機床，不但布局形式不同于傳統的C型立式銑床，而且其綜合機械性能、參數也優于它們。AV1200/2是依照葉輪加工的需要在AV1200機床上增加了可傾斜數控轉臺而開發研制的五軸立式數控銑床。交流伺服電機通過聯軸節與滾珠絲杠直聯。且采納德國高精度、高強度、小慣量聯軸器。滾珠絲杠與螺母進行了預緊，安裝時進行了預拉伸，提高了伺服系統的傳動剛性，確保機床的位置精度。配有集中潤滑裝置，定

8、時定量對導軌和滾珠絲杠進行潤滑。使機床保持高響應特性和高剛性。工作臺在線性滾珠導軌上作X向運動, Z軸滑枕上配置五軸聯動銑頭。Y軸采納雙線性滾珠導軌安裝呈垂直分布狀態, Z軸采納大規格線性滾珠導軌與雙平衡液壓缸裝置,三軸均采納伺電機與滾珠絲杠螺母副通過聯軸器直接的形式。交流伺服電機是由定子和轉子構成。定子上有勵磁繞組和操縱繞組，如下圖，這兩個繞組在空間相差90電角度。一相為勵磁繞組f，它始終接在交流電源Uf上；另一相為操縱繞組k，接輸入信號電奪Uk。Uf與Uk二者頻率相同，若在兩相繞組上加以幅值相等、相位差90電角度的對稱電壓，則在電機的氣隙中產生圓形的旋轉磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為

9、90電角度，則產生的磁場將是一個橢圓形旋轉磁場。加在操縱繞組Uk上的信號不同，產生的磁場橢圓度也不同。故當負載轉矩一定，改變操縱信號，就能夠改變磁場的橢圓度，從而操縱伺服電機的轉速。而當操縱電壓的相位相反時，伺服電動將反轉。kkUffCUkk交流伺服電動機調速交流伺服電動機調速常由調頻調速的方法實現。脈沖寬度調制是一種模擬操縱方式，依照相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶 體管或晶體管導通時刻的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。 脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來

10、對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都能夠使用PWM進行編碼。 M3UIUR圖1中包括正弦波形成、SPWM形成邏輯操縱及愛護電路、晶體管模塊和驅動電路等，其要緊部分為脈寬調制及自動調節的工作過程，即如何把正弦波信號轉換成脈沖寬度變化的調制波去驅動交流伺服電機。SPWM交M3UIURUR整流器 固定電壓不可控整流器，常采納六

11、個二級管橋式整流器結構將交流變為直流，電壓幅值不變。 為逆變器的供電。UI 逆變器 由六個功率開關器件組成，常采納大功率晶體管。其操縱極（大功率晶體管GTR為基極 ）輸入由基準正弦波（由速度指令轉化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調制波（等幅、不等寬的矩形脈沖波） ，使這些大功率晶體管按一定規律導通、截止，輸出一系列功率級等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級SPWM電壓，使電機轉動。功率開關器件還可采納：可關斷晶閘管GTO、功率場效應晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。依照AV1200/2五坐標立式數控銑床其所采納的伺服系統是鑒幅式伺服系統鑒幅式伺服

12、系統是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此作為位置反饋信號民與指令信號進行比較構成的閉環操縱系統。利用這種伺服系統，使用AV1200/2五坐標立式數控銑床工作可靠、抗干擾性強、精度高等優點，并增加了位置檢測、反饋、比較等元件。鑒幅式系統的工作原理如下：進進比較器的信號有兩路：一路來自數控裝置插補器或插補軟件的進給脈沖，它代表了數控裝置要求機床工作臺移動的位移；另一路來自測量元件及信號處理線路，也是以數字脈沖形式出現，它代表了工作臺實際移動的間隔。鑒幅系統工作前，數控裝置和測量元件的信號處理線路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零。這時，執行元件不能帶動工作臺移動。出現進給脈沖信號之

13、后，比較器的輸出不再為零，執行元件開始帶動工作臺移動，同時，以鑒幅式工作的測量元件又將工作臺的位移檢測出來，經信號處理線路轉換成相應的數字脈沖信號，該數字脈沖信號作為反饋信號進進比較器與進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器的輸出為零，講明工作臺實際移動的間隔即是指令信號要求工作臺移動的間隔，執行元件停止帶動工作臺移動；若兩者不相等，講明工作臺實際移動的間隔還不即是指令信號要求工作臺移動的間隔，執行元件接著帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。在鑒幅式伺服系統中，數模轉換電路的作用是將比較器輸出的數字量轉化為直流電壓信號，下圖為測量元件及信號處理線路該信號經驅動線路進行電壓和功率放大，驅動執

14、行元件帶動工作臺移動。測量元件及信號處理線路是將工作臺的機械位移檢測出來并轉換為數字脈沖量。測量元件及信號處理線路是如何將工作臺的機械位移檢測出來并轉換為數字脈沖的呢?測量元件的工作原理在第四章中差不多具體地介紹過，下面重點介紹信號處理線路的工作原理。圖5-26是測量元件及信號處理線路的框圖，它要緊由測量元件、解調電路、電壓頻率轉換器和sincos發生器組成。由測量元件的工作原理可知，當工作臺移動時，測量元件依照工作的位移量，即絲杠轉角輸出電壓信號是現在測量元件激磁信號的電氣角。VB的幅值代表著工作臺的位移。VB經濾波、放大、檢波、整流以后，變成方向與工作臺移動方向相對應，幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號，那個過程稱為解調。解調電路也稱鑒幅器。解調后的信號經電壓頻率轉換器變成計數脈沖，脈沖的個數與電壓幅值成正比，并用符號觸發器表示方向。一方面，該計數脈沖及其符號送到比較器與進給脈沖比較；另一方面，經sincos發生器，產生驅動測量元件的兩路信號sin和cos，使角與此相對應發生改變。該驅動信號是方波信號，它的脈寬隨計數脈沖的多少而變。依照傅里葉展開式，當該方波信號作用于測量元件時，其基波信號重量為 （5-5） （5-6）1角的大小由方波的寬度決定。若測量元件的轉子沒有新位移，因激磁信號電氣角由變為1，它所輸出的幅值信號也隨之變化，而且逐步趨于零。若輸出的新的幅值信號